1、第 5章 能带理论基础电子公有化运动各种杂质能级及其在能带中的分布特征各种缺陷能级特征直接能隙和间接能隙的特征热平衡载流子浓度的特征费米分布函数5 1 能带理论的引入能带理论，是研究固体中电子运动规律的一种近似理论。固体由原子组成，原子又包括原子核和最外层电子，它们均处于不断的运动状态。为使问题简化，首先假定固体中的原子核固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。能带理论就属这种单电子近似理论，它首先由 F.布洛赫和 L.-N.布里渊在解决金属的导电性问题时提出。单个原子核的电子结构：外层电子
2、围绕原子核做周期性的圆周运动外层电子轨道分布： 1s， 2s2p， 3s3p3d,靠近原子核的电子，受到束缚强，能级低；远离原子核的电子束缚弱，能级高。电子从一个能级跃迁到另一个能级，需要吸收能量，或释放能量。原子核内层电子，能量低，束缚力大，能级重叠很少；外层电子，能量高，束缚力小，能级重叠较多。重叠能级上的电子，就不局限于某一个原子核，很容易从一个原子核的外层，转移到另一相邻原子核的外层，造成外层电子可以在整个晶体中运动，为晶体所有原子共有，这种现象为 电子共有化每个轨道能分裂成 N个相近的能级（简并度 N），这个轨道上有 m个电子，轨道就分裂成 mN个能量相近的能级，这些分裂的能级数量大
3、，且能量差极小。这些能量相近的能级，形成能带能量低的能带中，充满电子，叫满带（价带），其电子可以跃迁到导带；能量最高的能带中，往往是全空或半充满状态，电子没有充满，叫导带；导带与价带之间，叫禁带；导带低（ Ec）和价带顶（ Ev）之间的能量差，就是禁带宽度（ Eg）注意：能带的宽窄，由晶体的性质决定的；与晶体中所含的原子数目无关；但每个能带中所含的能级数目，与晶体中的原子数有关。材料的导电性能，取决于其能带结构绝缘体：导带式空的，且禁带很宽（ Eg=3-7eV） ,一般情况下，价带上的电子很难跃迁到导带导体：金属材料的导带和价带，有相当部分是重合的，中间没有禁带，导体存在大量的自由电子，导电能
4、力很强半导体：低温条件下，导带中一般没有电子或极少电子，半导体导电性能差；禁带宽度不是很宽，一定条件下（升温，能量激发等），价带电子可以跃迁到导带，同时在价带中留有空穴，电子和空穴可以同时导电（两种载流子导电）禁带宽度，受温度影响，温度影响载流子浓度，影响电子的跃迁5 2 半导体中的载流子半导体导电，是有电子和空穴的定向扩散和漂移形成的。半导体电子 -空穴对的产生与复合低温下，价带基本上是充满的，导带几乎是空的，当温度升高时，价带电子获得足够的热量（ Eg），跃迁到导带，同时在价带产生一个空穴。导带电子也可以释放能量，回到低能级的价带，和空穴复合。在没有外界电场的作用下，温度一定时，电子和空穴
5、的产生和复合式平衡的，空穴浓度和电子浓度相等。当存在外界电场时，电子逆电场方向运动，形成电流（电子电流）；空穴顺电场方向运动，同样形成电流（空穴电流）。电子和空穴，都是载流子。 5 3 杂质能级为了控制半导体的性能，人为掺入杂质。引入杂质能级本征半导体：纯净的，不含任何杂质和缺陷的半导体本征激发：共价键上的电子激发成准自由电子，即价带上的电子，激发成为导带电子，在价带上留有一个空穴。电子和空穴成对产生。引入杂质后（与半导体本体元素不同的其它元素），杂质（包括缺陷）在平衡位置上振动，使实际半导体晶格偏离理想状态。在禁带中引入杂质（包括缺陷能级），会改变原有的半导体晶格中的周期性势场，从而影响半导体材料的物理化学性质。
